(57)【要約】【課題】  従来の金型設計方法では、熱応力や弾塑性変形の解析が静的に行われているが、解析技術を考えた場合、熱応力や弾塑性変形を静的に解析することで解決することは困難であり、拘束状態が変化することを考慮する必要がある。【解決手段】  （Ａ）製品１０の温度等を解析して製品１０の金型拘束に基づく応力分布計算及び摩擦表面要素の抽出を行う工程、（Ｂ）離型力に基づく応力分布計算を行う工程、（Ｃ）摩擦表面要素毎に実測値に基づき構成したデータベースを用いて、各摩擦表面要素の物性値から静・運動摩擦状態の判定を行う工程、（Ｄ）摩擦表面要素全体について、応力と歪と温度との関係を示す情報から亀裂の発生の有無を判定する工程、（Ｅ）前記（Ｂ）〜（Ｄ）の一連の工程を、一回毎に離型力を増加させながら繰り返し、該離型力の最大荷重と亀裂が発生した部位とを抽出する工程を具備する金型設計方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造又は成形される製品の離型状態を最適化する金型設計方法であって、演算手段により行われる以下の工程を具備することを特徴とする金型設計方法。
（Ａ）  鋳造時又は成形時の製品の凝固状態及び温度を解析して、製品の凝固収縮による金型拘束に基づく応力分布計算、及び摩擦表面要素の抽出を行う工程
（Ｂ）  離型ピンからの離型力の負荷に基づく応力分布計算を行う工程
（Ｃ）  前記摩擦表面要素毎に、実測値に基づき構成したデータベースを用いて、各摩擦表面要素の物性値から、静摩擦状態であるか又は運動摩擦状態であるかの判定を行う工程
（Ｄ）  前記摩擦表面要素全体について、記憶手段に記憶されている応力と歪と温度との関係を示す情報から、亀裂の発生の有無を判定する工程
（Ｅ）  前記（Ｂ）〜（Ｄ）の一連の工程を、一回毎に離型ピンの離型力を増加させながら繰り返し行い、該離型力の最大荷重と亀裂が発生した部位とを抽出する工程
【請求項２】
前記（Ｂ）〜（Ｄ）の一連の工程は、静摩擦状態を保持している摩擦表面要素の数が所定数以下になるまで、又は製品に亀裂が発生するまで繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の金型設計方法。
【請求項３】
前記（Ｂ）の工程にて求めた応力分布における各摩擦表面要素の応力値に対応した、摩擦力と温度との関係を示す情報に基づいて、
前記演算手段により、摩擦表面要素全体についてカジリ発生の有無を判定する工程を、さらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金型設計方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイカスト等の金型の設計方法に関し、特に、離型ピンの配置位置等の製品の離型状態を最適化する金型設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ダイカスト等の金型鋳造を行う際には、金型キャビティー内に溶湯を射出して凝固させ、この凝固した製品を離型ピンで押し出して、製品の取り出しを行っている。同様に、樹脂の射出成形を行う際にも、離型ピンによる製品の取り出しが行われている。
この鋳造や成形の際には、溶湯や溶融した樹脂の凝固に伴い製品が熱収縮し、金型と製品との勾配面に摩擦が生じるため、製品に離型ピンによる離型力を付与して取り出しを行うようにしているが、離型抵抗により製品に割れが生じることがある。
従って、金型を設計するときには、製品と金型とが接触する勾配面の離型力等を、解析やシミュレーションにより算出することで、金型の勾配面における離型方向に対する勾配や、金型面状態等が適正となる金型の設計値を求めることが行われている。例えば、特許文献１に記載されている金型設計方法の如くである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６２８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、解析により金型の設計を行う場合には、熱応力や弾塑性変形の解析は静的に行われているが、解析技術を考えた場合、熱応力や弾塑性変形を静的に解析することで適正な設計値を求めることは困難である。
つまり、適正な設計値を求めるためには、離型ピンによる押し出しに伴って製品の各部位が金型から離れていくこと、即ち拘束状態が変化することを考慮する必要がある。
この場合、拘束状態が変化するのは、離型ピンからかかる荷重や製品の勾配に応じて製品と金型との間に生じる摩擦力が変化するためであり、特に静摩擦状態と動摩擦状態とでは拘束状態が大きく変化する。
そこで、本発明では、金型と製品との拘束状態を変化させながら解析を行うことで、高精度な解析を行うことができる金型設計方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明の金型設計方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１においては、鋳造又は成形される製品の離型状態を最適化する金型設計方法であって、演算手段により行われる以下の工程を具備する。
（Ａ）  鋳造時又は成形時の製品の凝固状態及び温度を解析して、製品の凝固収縮による金型拘束に基づく応力分布計算、及び摩擦表面要素の抽出を行う工程
（Ｂ）  離型ピンからの離型力の負荷に基づく応力分布計算を行う工程
（Ｃ）  前記摩擦表面要素毎に、実測値に基づき構成したデータベースを用いて、各摩擦表面要素の物性値から、静摩擦状態であるか又は運動摩擦状態であるかの判定を行う工程
（Ｄ）  前記摩擦表面要素全体について、記憶手段に記憶されている応力と歪と温度との関係を示す情報から、亀裂の発生の有無を判定する工程
（Ｅ）  前記（Ｂ）〜（Ｄ）の一連の工程を、一回毎に離型ピンの離型力を増加させながら繰り返し行い、該離型力の最大荷重と亀裂が発生した部位とを抽出する工程
このように、抽出した離型力の最大荷重と亀裂が発生した部位等に基づいて、荷重の集中が分散するように、適正な荷重で製品の離型を行うことができるように、及び製品に亀裂が発生しないように、離型ピン６の配置位置や配置数を最適化することができる。
また、金型離型剤の塗布量の違いやムラにより、各摩擦表面要素での離型力が異なるため、摩擦表面要素毎に離型剤塗布量のパラメータを設定し、それに応じた応力と摩擦状態とを判定することで、解析精度を向上することができる。
この場合、前記各工程での拘束状態の切り換えや離型力の増加や判定等といった解析は、演算手段により自動的に実行処理され、金型と製品との拘束状態を変化させながらの高精度な解析を、効率良く短時間で行うことができる。
また、製品における離型ピンを配置可能な部位を定義するとともに、一定のルールを定めることで、演算手段により、離型ピンの数を増減させながら、離型ピン６の最適配置位置を自動的に決定することも可能である。
【０００６】
また、請求項２においては、前記（Ｂ）〜（Ｄ）の一連の工程は、静摩擦状態を保持している摩擦表面要素の数が所定数以下になるまで、又は製品に亀裂が発生するまで繰り返される。
これにより、製品が金型から外れた状態を示す、静摩擦状態を保持している摩擦表面要素の数が所定数以下となった状態、及び製品が離型操作により破損した状態を示す、製品に亀裂が発生した状態、での離型力を確実に把握することができて、高精度な金型設計を行うことができる。
【０００７】
また、請求項３においては、前記（Ｂ）の工程にて求めた応力分布における各摩擦表面要素の応力値に対応した、摩擦力と温度との関係を示す情報に基づいて、
前記演算手段により、摩擦表面要素全体についてカジリ発生の有無を判定する工程を、さらに備える。
これにより、製品の離型時に発生するカジリ不良も予測することが可能であり、適切な金型設計を高精度に行うことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、
離型ピンの配置位置や配置数を最適化することができるとともに、解析精度を向上することができる。
この場合、金型と製品との拘束状態を変化させながらの高精度な解析を、効率良く短時間で行うことができ、離型ピンの最適配置位置を自動的に決定することも可能である。
さらに、製品の離型時に発生するカジリ不良も予測することが可能であり、適切な金型設計を高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１０】
一般的に、鋳造や樹脂成形のプロセスでは、図１（ａ）に示すように、冷却により製品１０は収縮するのに対して金型１は殆ど変形・収縮しないため、製品１０の収縮が金型１により阻害・拘束される。
これにより、図１（ｂ）に示すように、金型の勾配面３と製品表面との間に外力として接触圧力や摩擦力が作用し、製品に塑性変形、及び離型割れが発生する（例えば図１（ｂ）に示す部位５に亀裂が発生する）。
【００１１】
従って、金型設計時には、金型１の勾配面３の離型方向に対する勾配や金型面状態が適正となるような設計を行うべく、演算装置を用いて行われるＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析が実施されているが、本発明においては、このような解析を行うに当たり次のような設計方法を採ることで、高精度な解析を実施して適正な金型設計を行うことを可能としている。
【００１２】
本発明の金型設計方法について、図２のフローに基づいて説明する。
まず、鋳造時又は成形時の製品の凝固状態及び温度の解析を行って（Ｓ０１）、製品の凝固状態及び温度による応力分布を算出するとともに、図３（ａ）に示すように、算出した応力分布データから摩擦表面要素の抽出を行う（Ｓ０２）。
ここで、摩擦表面要素とは、製品の収縮が金型１の勾配面３により拘束されている箇所であり、収縮重心方向の要素が抽出される。金型１の勾配面３により拘束される部分製品１０の全体にわたって複数抽出される。
【００１３】
次に、離型ピン６により製品１に所定の離型力を付与して、製品１０を金型１から押し出す際に、製品１０が離型ピン６から受ける応力の分布を算出する（Ｓ０３）。
【００１４】
図３（ｂ）に示すように、抽出された摩擦表面要素である製品１０の勾配面３に接する部分は、離型ピン６からの押圧力により生じる応力を受けるが、金型１の勾配面３と製品１０との間には、かかる応力の方向と反対の方向に摩擦力が生じる。
この離型ピン６による応力の大きさが所定の大きさとなるまでの間は、金型１と製品１０との間の摩擦力によって、製品１０の摩擦表面要素部分は金型１に拘束された状態を維持し、離型ピン６からの応力の大きさが所定の大きさを超えると、その勾配面３における製品１０の摩擦表面要素部分は金型１の拘束から外れる。
【００１５】
すなわち、勾配面３と接する製品１０の摩擦表面要素部分の状態には、離型ピン６からの応力の大きさに応じて、製品１０が金型１との拘束状態を保持している静摩擦領域にある状態と、製品１０が拘束状態から開放されて金型１との間にすべりが生じている運動摩擦領域にある状態とが存在する。
例えば、図４に示すように、摩擦表面要素は、離型ピン６の離型力により製品１０に生じる応力がσａ・σｂ（勾配面３の勾配角がα１のときはσａ、α２のときはσｂ）以下のときは、製品１０が金型１との拘束状態を保持している静摩擦領域にあり、応力がσａより大きくなると、製品１０が拘束状態から開放される運動摩擦領域に移行する。
【００１６】
従って、各摩擦表面要素が静摩擦状態にあるか又は運動摩擦状態にあるかを、離型ピン６からの離型力がステップＳ０３にて設定された大きさであった場合の、製品１０と金型１との間の摩擦力や、製品１０にかかる応力等の物性値から判定する（Ｓ０４）。
このステップで、運動摩擦状態にあると判定された摩擦表面要素は、ステップＳ０３からステップＳ０６までの間に行われる次回の演算の対象から除外される。
【００１７】
すなわち、各摩擦表面要素が拘束状態にあるか、又は拘束を解除された状態にあるかを判定し、拘束解除状態となった摩擦表面要素を、次回の演算対象から除外する。
【００１８】
なお、図４に示す応力σと摩擦力Ｆとの関係は、本金型設計方法にて解析を行う演算装置が備える記憶手段に予め記憶されている。
また、この応力σと摩擦力Ｆとの関係は、勾配角α１の場合と勾配角α２の場合といったように、勾配面３の角度により異なるので、勾配角が異なる摩擦表面要素毎に実測して求められたものである。
【００１９】
次に、摩擦表面要素が拘束された状態で、製品１０に所定の大きさ以上の応力がかかると、図１（ｂ）に示すように、勾配面３の根元の部位５に亀裂が発生するが、離型ピン６による離型力がステップＳ０３にて設定された大きさであった場合に、各摩擦表面要素に亀裂が発生するか否かの判定を行う（Ｓ０５）。
コンピュータが備える記憶手段には、図５に示すような、製品１０にかかる応力σと、歪εと、温度Ｔとの関係を示す、「応力−歪−温度線図」が予め記憶されており、摩擦表面要素に亀裂が発生するか否かの判定は、この「応力−歪−温度線図」に基づいて行われる。
【００２０】
このステップＳ０５での判定にて、亀裂が発生した摩擦表面要素があれば、製品１０に離型力を付与するための離型ピン６の現在の荷重と、亀裂が発生した摩擦表面要素の部位とを抽出する（Ｓ０７）。
【００２１】
一方、ステップＳ０５での判定にて、亀裂が発生した摩擦表面要素がなければ、次に、静摩擦状態にある摩擦表面要素の数（すなわち、全ての摩擦表面要素数から、ステップＳ０４で、運動摩擦状態にあると判定された摩擦表面要素数を除いた数）が、予め定められた所定の数よりも少ないか否かの判定を行う。
【００２２】
この判定で、静摩擦状態にある摩擦表面要素の数が所定の数以下であれば、ステップＳ０３にて設定した現在の離型ピン６の荷重を抽出する（Ｓ０７）。
逆に、静摩擦状態にある摩擦表面要素の数が所定の数よりも多ければ、前回ステップＳ０３で設定した離型ピン６の離型力を増加した上で（Ｓ１０）、再度ステップＳ０３からステップＳ０６までの工程を行う。
【００２３】
このように、ステップＳ０３からステップＳ０６までの工程を繰り返し行い、拘束状態にある摩擦表面要素数が設定値以下になるか、亀裂が発生した摩擦表面要素があれば、ステップＳ０３からステップＳ０６までの工程が終了し、現時点の離型ピン６の荷重や、拘束状態にある部位や、亀裂が発生した摩擦表面要素の部位等といった解析結果が抽出され（Ｓ０７）、この解析結果のファイルが出力手段から出力される（Ｓ０８）。
なお、離型ピン６による離型力の荷重は工程が繰り返される毎に増加されるので、現時点の荷重は最大荷重となる。
ステップＳ０８で出力された解析結果は表示手段により表示され、本金型設計方法による解析が終了する（Ｓ０９）。
【００２４】
なお、ステップＳ０４での判定は、ステップＳ０３からステップＳ０６までの工程を繰り返す過程で増加していく離型方向の応力の大きさが、各摩擦表面要素の静摩擦力の最大値に達した時点で、拘束状態から拘束解除状態に切り換わる。
【００２５】
このように、解析結果として出力された離型力の最大荷重や、拘束状態にある部位や、亀裂が発生した摩擦表面要素の部位等を利用することで、配置する離型ピン６の本数や配置位置を最適化することができる。
例えば、出力された解析結果に基づいて、荷重の集中が分散するように、適正な荷重で製品１０の離型を行うことができるように、及び製品１０に亀裂が発生しないように、離型ピン６の配置位置や配置数を決定することができる。
また、金型離型剤の塗布量の違いやムラにより、各摩擦表面要素での離型力が異なるため、摩擦表面要素毎に離型剤塗布量のパラメータを設定し、それに応じた応力と摩擦状態とを判定することで、解析精度を向上することができる。
【００２６】
この場合、前記各工程での拘束状態の切り換えや離型力の増加や判定等といった解析は、演算手段により自動的に実行処理され、金型１と製品１０との拘束状態を変化させながらの高精度な解析を、効率良く短時間で行うことができる。
また、製品１０における離型ピン６を配置可能な部位を定義するとともに、一定のルールを定めることで、演算手段により、離型ピン６の数を増減させながら、離型ピン６の最適配置位置を自動的に決定することも可能である。
【００２７】
本金型設計方法においては、図６に示すようなフローにて解析を行うことで、鋳造時に発生するカジリ不良を予測することも可能である。
【００２８】
図６におけるステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２９、Ｓ３０、及びＳ３１は、前述の図２におけるステップＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３、Ｓ０４、Ｓ０５、Ｓ０６、Ｓ０８、Ｓ０９、及びＳ１０と、それぞれ同じ内容であるので説明を省略し、ステップＳ２５及びステップＳ２８について説明する。
【００２９】
演算装置が備える記憶手段には、図７に示すような、ステップＳ２３にて算出された各応力値に対する摩擦力Ｆと温度Ｔとの関係を示すデータベースとしての、「摩擦力−温度線図」が予め記憶されている。
【００３０】
ステップＳ２５では、この「摩擦力−温度線図」に基づいて摩擦表面要素全体についてカジリ発生の有無を判定する。
つまり、算出された応力値に対応する「摩擦力−温度線図」を用いて、解析された製品１０の温度と、該当する摩擦表面要素における摩擦力とから、カジリ発生の有無を判定する。
ここで、カジリとは、製品１０の温度により、離型時に製品１０表面が剥離して金型に付着する現象をいう。
【００３１】
この工程で、カジリ発生が無いと判定されれば、次にステップＳ２６における亀裂発生の有無の判定に移行し、カジリ発生が有ると判定されれば、ステップＳ２８へ移行して計算が終了する。
このステップＳ２８では、離型ピン６の荷重と、亀裂が発生した摩擦表面要素の部位とに加えて、カジリが発生した摩擦表面要素の部位も抽出する。
そして、これらの抽出した結果がステップＳ２９にてファイル出力される。
【００３２】
このように、本金型設計方法では、製品１０の離型時に発生するカジリ不良も予測することが可能であり、適切な金型設計を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】製品が収縮するとともに離型ピンに押圧される離型時の様子を表した図である。
【図２】本発明の金型設計方法のフローを示す図である。
【図３】本発明の金型設計方法における解析の様子をイメージ的に表した図である。
【図４】離型力により製品に生じる応力と、摩擦表面要素の金型と製品との間に生じる摩擦力との関係を示す図である。
【図５】離型力により製品に生じる応力と、その応力により生じる歪との関係を、製品の温度毎に表した、応力−歪−温度線図である。
【図６】本発明の金型設計方法の第二実施形態のフローを示す図である。
【図７】離型力により製品に生じる応力に対応する、摩擦表面要素の金型と製品との間に生じる摩擦力と、製品の温度との関係を示す、摩擦力−温度線図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  金型
３  勾配面
５  （勾配面の根元の）部位
６  離型ピン 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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